DE4431849A1 - Durchsetz-Fügeverfahren und Durchsetz-Fügewerkzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Durchsetz-Fügeverfahren und ein Durchsetz-Fügewerkzeug zum Verbinden mindestens eines ersten und eines zweiten Bleches.

Zum Verbinden von Blechen wird alternativ zum Punkt­ schweißen oder Vernieten das Durchsetz-Fügen durchge­ führt, bei dem mindestens ein erstes und ein zweites Blech durch gemeinsame Verformung mittels eines Gesenks und eines Stempels verbunden werden. Das Durchsetz-Fügen bietet dabei gegenüber dem Punktschweißen den Vorteil, die zu verbindenden Bleche nicht thermisch zu belasten, und gegenüber dem Vernieten den Vorteil, ohne Lochung der Bleche zu arbeiten.

Bei einem bekannten Durchsetz-Fügeverfahren werden Durchsetz-Fügewerkzeuge verwendet, bei denen mindestens das Gesenk oder der Stempel von einem Druckzylinder angetrieben wird. Gesenk und Stempel werden gegeneinan­ der bewegt und an den zu verbindenden Blechen in Ein­ griff gebracht. Nach Bildung der Verbindung, eines so­ genannten Clinchs, werden Gesenk und Stempel durch Um­ steuerung des Druckmittels auseinandergefahren, die verbundenen Bleche nachfolgend verschoben und zur Bil­ dung einer weiteren Verbindung erneut zwischen Gesenk und Stempel positioniert.

Das beschriebene Verfahren und das dabei Verwendung findende Durchsetz-Fügewerkzeug sind jedoch langsam. Sie erfordern außerdem eine Druckmittelversorgung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Durchsetz-Fügeverfahren für die schnelle Herstellung zahlreicher Verbindungsstellen geeignet zu machen und eine Vorrichtung für die schnelle Herstellung zahlrei­ cher Verbindungsstellen zur Verfügung zu stellen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 4.

Bei dem erfindungsgemäßen Durchsetz-Fügeverfahren wer­ den Gesenk und Stempel auf jeweils einer Fügerolle an entgegengesetzten Seiten der übereinanderliegenden Ble­ che abgerollt. Durch die Abrollbewegung wird erreicht, daß der Blechvorschub und die Bewegungen von Gesenk und Stempel zur Erzeugung des Clinchs gleichzeitig erfol­ gen, so daß gegenüber dem bekannten, intermittierend arbeitenden Verfahren die Bearbeitungszeit reduziert wird. Dabei ist es gleichgültig, ob die Bleche oder das Werkzeug bewegt werden. Wichtig ist, daß die Fügerollen relativ an den Blechen die Abrollbewegung ausführen.

Die Rollbewegung hat ferner den Vorteil, daß die War­ tezeit bis zum Aufbau eines ausreichenden Drucks beim pressenden Verbinden der Bleche entfällt. Das erfin­ dungsgemäße Durchsetz-Fügeverfahren erlaubt darüber hinaus ein kontinuierliches Verbinden von Blechen im Durchlaufverfahren.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Füge­ rollen in einem Werkzeugkopf gelagert, der entlang der feststehenden Bleche geführt wird. Dadurch, daß die Vorschubbewegung der Fügerollen gegenüber den Blechen von dem die Fügerollen tragenden Werkzeugkopf durchge­ führt wird, so daß damit anstelle großformatiger Bleche nunmehr nur noch der im Verhältnis zu den Blechen ein­ fach zu handhabende Werkzeugkopf zu bewegen ist, wird der gesamte Fügeprozeß erleichtert.

Zum Ansetzen der Fügerollen an die Bleche können die Fügerollen gesteuert auseinanderbewegt und anschließend zusammengefahren werden. Dieses Verfahren ermöglicht es, den ersten einer Reihe von Clinchen an nahezu jeder beliebigen Stelle der zu verbindenden Bleche anzuord­ nen.

Das erfindungsgemäße Durchsetz-Fügewerkzeug ist dadurch gekennzeichnet, daß Gesenk und Stempel an drehbaren Fügerollen angebracht sind, die einen Spalt zum Durch­ laufen der übereinanderliegenden Bleche bilden. Auf­ grund der Anordnung von Gesenk und Stempel an drehbaren Fügerollen ergibt sich die zum gemeinsamen Verformen der Bleche erforderliche pressende Relativbewegung von Gesenk und Stempel aus den Rotationsbewegungen der Fü­ gerollen. Gesenk und Stempel werden somit an den zu fügenden Blechen in Eingriff gebracht werden, ohne daß dabei Druckmittel oder andere separate Antriebe zur Erzeugung einer Hin- und Herbewegung erforderlich wä­ ren. Damit werden auch aufwendige Druckmittelvertei­ lungs- und -steuerungseinrichtungen eingespart. Es ist nicht erforderlich, bei der Herstellung der Verbindun­ gungsstellen jeweils zu warten, bis der jeweils erfor­ derliche Preßdruck erreicht worden ist, da sich der Preßdruck quasi automatisch mit dem Vorschub und der damit gekoppelt ablaufenden Preßbewegung von Gesenk und Stempel einstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform trägt jede Fü­ gerolle mindestens ein Gesenk und einen Stempel. Bei dieser Ausgestaltung werden Clinche zu beiden Seiten der Mittelebene der zu verbindenden Bleche erzeugt, ohne daß es erforderlich wäre, das Durchsetz-Fügewerk­ zeug zu wenden. Wenn die Verbindungsstellen beidseitig in der Mittelebene und zudem symmetrisch ausgebildet sind, ergibt sich außerdem der Vorteil, daß die Festig­ keit der Verbindung senkrecht zu den Blechen in beiden Richtungen gleich ist.

Vorzugsweise besteht das Gesenk aus einem an der jewei­ ligen Fügerolle vorgesehenen Nutabschnitt, dessen Länge wesentlich größer ist als diejenige des zugehörigen Stempels. Bei einer solchen Ausgestaltung lassen sich zuverlässige Clinche erzeugen, ohne daß es erforderlich wäre, die Rotationsbewegungen der beiden Fügerollen exakt synchron zu halten. Wenn das Gesenk aus einer an der Fügerolle vollständig umlaufenden Ringnut besteht, ist überhaupt kein Mittel zur Abstimmung der Rotations­ bewegungen mehr erforderlich. Darüber hinaus ist es dann auch möglich, durch Auswechselung nur der die Stempel tragenden Fügerolle den Abstand benachbarter Clinche zu verändern. Eine Fügerolle mit einer voll­ ständig umlaufenden Ringnut ist zudem besonders einfach herstellbar.

An den Fügerollen können Reibflächen vorgesehen werden, die bei der geführten Bewegung der Fügerollen entlang der zu fügenden Bleche einen Drehantrieb der Fügerollen bewirken. Bei einer solchen Ausgestaltung kann auf einen separaten Drehantrieb mindestens einer der Füge­ rollen verzichtet werden und es ist möglich, allein durch Führung der Fügerollen entlang den zu verbinden­ den Blechen die Verbindungen zu erzeugen.

Vorzugsweise weist das Gesenk nach außen federnde Sei­ tenwände auf. Die federnden Seitenwände erlauben bei der gemeinsamen Verformung der Bleche die Ausbildung besonders zuverlässiger Clinche. Eine vorgesehene Öffnungsvorrichtung zum Auseinanderbewegen der Fügerollen und zum nachfolgenden zusammenfahren erlaubt es, das Durchsetz-Fügewerkzeug zur Clinch-Herstellung an nahezu beliebiger Stelle der Bleche zu verwenden.

Wenn die Fügerollen in einem Werkzeugkopf angeordnet sind, der an einem Roboterarm gelagert ist, können auch Verbindungen entlang von in mehreren Dimensionen ge­ krümmten Linien, beispielsweise bei Kraftfahrzeug­ fenstern, erzeugt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Zeichnung im Zusammenhang mit der Be­ schreibung. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Durchsetz-Fü­ gewerkzeugs in einer Seitenansicht,

Fig. 2 das Durchsetz-Fügewerkzeug gemäß Fig. 1 im Ein­ griff an zu verbindenden Blechen in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines Durchsetz-Fügewerkzeugs im Eingriff an zu verbindenden Blechen und

Fig. 4 einen Schnitt durch die Fügerollen des Durch­ setz-Fügewerkzeugs und die Bleche gemäß der Linie IV-IV in Fig. 3.

Die in Fig. 1 gezeigte erste Ausführungsform 10 eines Durchsetz-Fügewerkzeugs weist eine in der Zeichnung oben angeordnete erste Fügerolle 12 und eine in der Zeichnung unten angeordnete zweite Fügerolle 14 auf, die auf einer ersten Welle 16 bzw. einer zweiten Welle 18 befestigt sind. Die erste und zweite Drehachse 20 und 22 der ersten bzw. zweiten Welle 16, 18 verlaufen parallel. Die beiden Fügerollen 12 und 14 sind auf der ersten und zweiten Welle 16, 18 derart angeordnet, daß sie in einer gemeinsamen, zu den Drehachsen 20, 22 senk­ rechten Ebene liegen.

Beide Fügerollen 12, 14 sind stapelartig aufgebaut. Die erste Fügerolle 12 weist dabei zu der ersten Drehachse 20 senkrechte Seitenscheiben 24, 26 auf, zwischen denen eine sich ebenfalls senkrecht zur ersten Drehachse 20 erstreckende Stempelscheibe 28 angeordnet ist. Die Stempelscheibe 28, deren Durchmesser dem der Seiten­ scheiben 24, 26 entspricht, weist vier radiale Vorsprün­ ge auf, die jeweils im Winkelabstand von 90° voneinan­ der angeordnet sind und die die Stempel 30 bilden. Die Breite der Stempel 30 entspricht der Dicke der Stempel­ scheibe, wobei die Länge der radialen Vorsprünge 30 in Umfangsrichtung etwa 5 bis 15° beträgt. Die Höhe der radialen Vorsprünge 30 in radialer Richtung beträgt etwa 2 bis 10 mm.

Bei der zweiten Fügerolle schließen weitere Seiten­ scheiben 32, 34 eine zwischen ihnen liegende Amboßschei­ be 36 ein. Die Amboßscheibe 36 hat einen geringeren Durchmesser als die Seitenscheiben 32, 34 und bildet mit ihrer Außenumfangsfläche den Nutgrund einer durch die Amboßscheibe 36 und die Seitenscheiben 32, 34 gebildeten umlaufenden Nut. Der Achsabstand der Drehachsen 20, 22 ist so gewählt, daß die Stempel 30 der ersten Fügerolle 12 zwischen den Seitenscheiben 32, 34 der zweiten Füge­ rolle 14 eintauchen, wenn sie sich auf der Verbindungs­ linie der beiden Drehachsen 20, 22 befinden.

Die Seitenscheiben 32, 34 der zweiten Fügerolle 14 bil­ den zusammen mit der Amboßscheibe 36 ein Gesenk 38. Die Seitenscheiben 32, 34 weisen dabei jeweils vier im Win­ kelabstand von 90° zueinander angeordnete radiale Ein­ schnitte 40 auf, die an ihrem inneren Ende in kreisför­ mige Ausschnitte 42 übergehen. Aufgrund der radialen Einschnitte 40 sind die Seitenscheiben 32, 34 in Rich­ tung der zweiten Drehachse 22 federnd ausgebildet, so daß das durch die Amboßscheibe 36 und die Seitenschei­ ben 32 und 34 gebildete Gesenk 38 nach außen federnde Seitenwände aufweist. Die kreisförmigen Ausschnitte 42 verhindern beim Ausfedern der Seitenscheiben 32, 34 eine Rißbildung im Bereich der radialen Einschnitte 40.

Zur Verbindung eines ersten Blechs 44 und eines mit diesem überlappenden zweiten Blechs 46 wird mit dem Durchsetz-Fügewerkzeug das nachfolgend beschriebene Durchsetz-Fügeverfahren durchgeführt:

Zum Ansetzen an die Bleche 44, 46 werden zunächst die erste und zweite Fügerolle 12, 14 mittels eines hydrau­ lischen Antriebs oder eines Kurbelantriebs gesteuert auseinanderbewegt, wobei ihr Achsabstand derart ver­ größert wird, daß die beiden einander überlappenden Bleche 44, 46 zwischen der ersten und der zweiten Füge­ rolle 12, 14 positioniert werden können. Anschließend werden die Fügerollen 12, 14 aufeinanderzubewegt. Nach dem Einrichten der Fügerollen 12, 14 werden diese in gegenläufiger Richtung gemäß den Pfeilen A und B ange­ trieben. Dabei gelangen die radialen Vorsprünge nach­ einander während des Vorschubs an den Blechen 44, 46 in Eingriff. Da die die Stempel 30 bildenden Vorsprünge der ersten Fügerolle über die Seitenscheiben 24, 26 vor­ stehen, drücken sie das erste und zweite Blech 44, 46 in die von der Amboßscheibe 36 und den Seitenscheiben 32, 34 definierte Nut. Dabei werden die Bleche 44, 46 ge­ meinsam verformt, wobei sich ein Clinch 48 bildet.

Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte zweite Ausfüh­ rungsform 50 eines Durchsetz-Fügewerkzeugs entspricht in ihrem Aufbau grundsätzlich der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform 10. Wie bei der ersten Ausführungsform 10 sind bei der zweiten Ausfüh­ rungsform 50 eine erste und eine zweite Fügerolle 52, 54 auf einer ersten bzw. zweiten Welle 56, 58 angeordnet und der Achsabstand der Drehachsen 60, 62 der ersten und zweiten Welle 56, 58 der zweiten Ausführungsform 50 ent­ spricht dem Achsabstand bei der ersten Ausführungsform.

Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform 10, bei der die erste Fügerolle 12 ausschließlich Patritzenabschnitte und die zweite Fügerolle 14 ausschließlich Matritzenab­ schnitte aufweist, sind bei der zweiten Ausführungsform die erste und zweite Fügerolle 52, 54 identisch ausge­ staltet, wobei beide Fügerollen 52, 54 sowohl Patritzen­ abschnitte 64 als auch Matritzenabschnitte 66 aufwei­ sen. In den vier jeweils im Winkelabstand von 90° ange­ ordneten und sich über einen Bereich von 45° erstrek­ kenden Patritzenabschnitten sind jeweils als Stempel 70 radiale Vorsprünge angeordnet, die in radialer Richtung über die auch bei der zweiten Ausführungsform 50 an den Fügerollen 52, 54 jeweils paarweise vorgesehenen Seiten­ scheiben 72 vorstehen.

In den jeweils zwischen zwei Patritzenabschnitten 64 angeordneten Matritzenabschnitten 66 wird durch die sich in diesen Abschnitten befindenden Wandabschnitte 74 der Seitenscheiben 72 und durch sich über den ent­ sprechenden Winkelabschnitt erstreckende Amboßabschnit­ te 76 jeweils ein Gesenk 78 definiert, dessen Seiten­ wände wie die Seitenwände bei der zweiten Fügerolle 14 der ersten Ausführungsform 10 nach außen, d. h. jeweils in axialer Richtung der Fügerollen 52, 54, federnd aus­ gebildet sind. Um die federnde Ausgestaltung der Wand­ abschnitte 74 zu erreichen, weist auch die zweite Aus­ führungsform 50 radiale Einschnitte 80 und kreisförmige Ausschnitte 82 auf.

Die Bildung der Clinche 48 erfolgt bei der zweiten Aus­ führungsform im wesentlichen nach dem schon im Zusam­ menhang mit den Fig. 1 und 2 beschriebenen Verfahren. Im Unterschied zu dem bereits beschriebenen Verfahren werden jedoch bei der zweiten Ausführungsform die erste und zweite Fügerolle 52, 54 nicht mittels eines Drehan­ triebs angetrieben. Statt dessen weisen die erste und zweite Fügerolle 52, 54 auf den Seitenscheiben 72 als radiale Mantelflächen ausgebildete Reibflächen 90 auf, so daß die Seitenscheiben als Antriebsscheiben wirken und bei der von einem Roboterarm durchgeführten Bewe­ gung der in einem Werkzeugkopf angeordneten Fügerollen 52, 54 entlang der zu fügenden Bleche 84, 86 einen Dreh­ antrieb der Fügerollen 52, 54 bewirken. Der Roboterarm kann das Durchsetz-Fügewerkzeug um jede Achse drehen, so daß auch mehrfach gekrümmte Linien, beispielsweise an einem Kraftfahrzeugfenster, abgefahren werden kön­ nen.

Die bei der Herstellung eines Clinches 48 mit den be­ schriebenen Durchsetz-Fügewerkzeugen erzeugte Clinch­ form, ein sogenannter Balkenclinch, ist im Zeitpunkt ihrer Entstehung in Fig. 4 dargestellt. Der Stempel 70, der zwischen den Antriebsscheiben 72 der zweiten Füge­ rolle 54 eintaucht, bewirkt eine gemeinsame Verformung der Bleche 84, 86. Aufgrund des von dem Amboßabschnitt 76 erzeugten Gegendrucks fließen beide Bleche 84, 86 gemeinsam und drücken die Wandabschnitte 74 der An­ triebsscheiben 72 der zweiten Fügerolle 54 auseinander. Bei diesem Fließvorgang entsteht eine Verhakung 92, die durch unterhalb der Ebene des zweiten Bleches 76 sich pilzförmig ausdehnende Nasen des ersten Bleches 84 ge­ bildet ist. Der so gebildete Balkenclinch stellt eine schnitt- und lochfreie Verbindung der Bleche dar, die aus diesem Grund auch flüssigkeitsdicht ist.

Claims (11)

1. Durchsetz-Fügeverfahren zum Verbinden mindestens eines ersten und eines zweiten Blechs, bei dem mindestens das erste und das zweite Blech durch gemeinsame Verformung mittels eines Gesenks und eines Stempels verbunden wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß Gesenk und Stempel auf jeweils einer Fügerolle an entgegengesetzten Seiten der übereinanderliegenden Bleche abgerollt werden.

2. Durchsetz-Fügeverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein die Fügerollen tragender Werkzeugkopf entlang der feststehenden Bleche geführt wird.

3. Durchsetz-Fügeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügerollen zum Ansetzen an die Bleche gesteuert auseinanderbewegt und anschließend zu­ sammengefahren werden.

4. Durchsetz-Fügewerkzeug zum Verbinden mindestens eines ersten und eines zweiten Blechs (44, 46; 84, 86), mit minde­ stens einem einen Hohlraum aufweisenden Gesenk (38; 78) und mit mindestens einem in den Hohlraum des Gesenks ein­ tauchenden Stempel (30; 70), dadurch gekennzeichnet, daß Gesenk (38; 78) und Stempel (30; 70) an drehbaren Füge­ rollen (12, 14; 52, 54) angebracht sind, die einen Spalt zum Durchlaufen der aneinanderliegenden Bleche (44, 46; 84, 86) bilden.

5. Durchsetz-Fügewerkzeug nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Fügerolle (52, 54) mindestens ein Ge­ senk (78) und einen Stempel (70) trägt.

6. Durchsetz-Fügewerkzeug nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk (38; 78) aus einem an der betreffenden Fügerolle (14; 54) vorgesehenen Nutabschnitt besteht, dessen Länge wesentlich größer ist als diejenige des zugehörigen Stempels (30, 70).

7. Durchsetz-Fügewerkzeug nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gesenk (38) aus einer an der Fügerolle (14) vollständig umlaufenden Ringnut besteht.

8. Durchsetz-Fügewerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Fügerollen (52, 54) Reibflächen (90) vorgesehen sind, die bei der Bewegung der Fügerollen (52, 54) entlang der zu fügenden Bleche (84, 86) einen Drehantrieb der Fügerollen (52, 54) bewir­ ken.

9. Durchsetz-Fügewerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beider Fügerollen in den Gesenkbereichen nach außen federnde Seitenwände (74) aufweisen.

10. Durchsetz-Fügewerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnungsvorrichtung zum Auseinanderbewegen der Fügerollen (12, 14; 52, 54) und zum nachfolgenden Zusammenfahren vorgesehen ist.

11. Durchsetz-Fügewerkzeug nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Fügerollen (12, 14; 52, 54) in einem Werkzeugkopf angeordnet sind, der von einem Ro­ boterarm bewegbar ist.